JP2004253707A - Semiconductor device, and manufacturing method thereof - Google Patents

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啓 金本
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device and a manufacturing method thereof wherein its operational speed can be improved while suppressing its punch through. <P>SOLUTION: The semiconductor device has a p-type silicon substrate 1, a non-doped silicon layer 7 provided on the silicon substrate 1, a gate insulation film 11 provided on the non-doped silicon layer 7, a metal gate electrode 13 provided on the gate insulation film 11, n<SP>+</SP>S/D diffusion layers 5a, 5b provided in the exposed silicon substrate 1 from under the metal gate electrode 13, and a p<SP>+</SP>diffusion layer 9 provided in the silicon substrate 1 present under a channel region. Further, the impurity concentration of the p<SP>+</SP>diffusion layer 9 is made higher than the one of the silicon substrate 1 present under the n<SP>+</SP>S/D diffusion layers 5a, 5b. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に係り、特に、チャネル領域がエピタキシャルシリコン層で構成されるような、いわゆるチャネルエピ構造のMISトランジスタに適用して好適な半導体装置とその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、MISトランジスタのゲート長は0.1μmに近づきつつあり、トランジスタの閾値電圧はますます小さくなる傾向にある。これに伴って、トランジスタのチャネル領域がエピタキシャルシリコン層で構成されるような、いわゆるチャネルエピ構造のMISトランジスタが普及しつつある。
【0003】
図7は、従来例に係るn型MISトランジスタ90の構成例を示す断面図である。このMISトランジスタ90はチャネルエピ構造を有するものである。図において、91はシリコン基板(p−sub)、92は素子分離層、93は、94はnソース/ドレイン拡散層(以下で、nS/D拡散層という)、95はメタルゲート電極、96はサイドウォール、97はノンドープのエピタキシャルシリコン層(以下で、ノンドープシリコン層という)、98はゲート絶縁膜である。
【0004】
図7に示すように、このMISトランジスタ90では、nS/D拡散層94とチャネル領域95の両方が高濃度なpウェル拡散層93と接合しているので、nS/D拡散層94とpウェル拡散層93間及び、チャネル領域95とpウェル拡散層93間の空乏層が小さく、パンチスルー等の短チャネル効果が抑制される。
【0005】
また、図7に示すメタルゲート電極95は、mid−gap材料からなるものである。ここで、mid−gap材料とは、当該材料の仕事関数がnポリシリコンの仕事関数とpポリシリコンの仕事関数の中間にあるような金属のことをいう。mid−gap材料の例としては、窒化チタン(TiN)やタンタル(Ta)、窒化タンタル(TaN)等が挙げられる。
【0006】
このMISトランジスタ90の製造工程では、比較的高濃度なシリコン表面にノンドープシリコンを低温エピタキシャル成長させ、以降は低温プロセスでゲート絶縁膜98と、メタルゲート電極95と、サイドウォール96と、nS/D拡散層94とを形成する。この低温プロセスによって、ノンドープシリコン層97への不純物(ドーパント)の拡散が防止されている。
【0007】
n型MISトランジスタとp型MISトランジスタとからなるCMISのゲート電極部をmid −gap材料で形成すると共に、エピタキシャル層97をノンドープとすることによって、n型MISトランジスタの閾値電圧とp型MISトランジスタの閾値電圧の絶対値を揃えることができ、しかもその絶対値を低減することができる。
【0008】
【特許文献1】
特開平9−45905
【非特許文献1】
M.Aoki et al, IEDM Tech. Dig.,p. 939−941,1990.
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来例に係るn型MISトランジスタ90によれば、パンチスルー等の短チャネル効果を抑制するために、nS/D拡散層94下の半導体基板91とノンドープシリコン層97下の半導体基板91に高濃度なpウェル拡散層93を設けていた。
【0010】
しかしながら、この構造では短チャンネル効果を抑制することはできても、nS/D拡散層94とpウェル拡散層93との間の空乏層が小さくなってしまうので、接合容量(寄生容量)が大きいという問題があった。nS/D拡散層94の接合容量とMISトランジスタ90の動作速度との間には相関があり、nS/D拡散層94の接合容量が大きくなるほどMISトランジスタ90の動作速度は遅くなってしまう。
【0011】
そこで、この発明はこのような問題を解決したものであって、パンチスルーを抑制しつつ、動作速度を向上できるようにした半導体装置及びその製造方法の提供を目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記した課題を解決するために、本発明に係る第1の半導体装置は、半導体基板と、この半導体基板上に設けられたゲート絶縁膜と、このゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極部と、このゲート電極部下から露出した半導体基板に設けられたソース/ドレイン拡散層と、チャネル領域下の半導体基板に設けられた不純物拡散層とを備え、この不純物拡散層はソース/ドレイン拡散層下の半導体基板と同一導電型であり、かつ、当該不純物拡散層の不純物濃度は該ソース/ドレイン拡散層下の半導体基板よりも高濃度であることを特徴とするものである。
【0013】
本発明に係る第2の半導体装置は、上述した第1の半導体装置において、半導体基板はシリコン基板と、当該シリコン基板上に設けられたシリコン層とからなり、このシリコン基板の所定領域に不純物拡散層が設けられ、該不純物拡散層上のシリコン層がチャネル領域となることを特徴とするものである。
本発明に係る第1、第2の半導体装置によれば、ソース・ドレイン間に電圧を印加した際に発生するドレインからの電気力線をチャネル領域下の不純物拡散層で終端することができるので、パンチスルーを防止することができる。また、従来型の半導体装置と比べて、ソース/ドレイン拡散層と半導体基板(シリコン基板)間の空乏層を基板側に伸ばすことができるので、ソース/ドレイン拡散層の接合容量を低減することができる。従って、パンチスルーを抑制しつつ、半導体装置の動作速度を向上させることができる。
【0014】
本発明に係る第1の半導体装置の製造方法は、シリコン基板の所定領域に当該シリコン基板と同一導電型の不純物拡散層を形成する工程と、この不純物拡散層が形成されたシリコン基板上にシリコン層を形成する工程と、このシリコン層上にゲート絶縁膜を形成する工程と、不純物拡散層上方のゲート絶縁膜上にゲート電極部を形成する工程と、このゲート電極部下から露出したシリコン層及びシリコン基板にソース/ドレイン拡散層を形成する工程とを有し、不純物拡散層を形成する工程では、当該不純物拡散層の不純物濃度をソース/ドレイン拡散層下のシリコン基板よりも高濃度にすることを特徴とするものである。
【0015】
本発明に係る第1の半導体装置の製造方法によれば、シリコン基板と同一導電型であり、かつソース/ドレイン拡散層下のシリコン基板よりも不純物濃度が高い不純物拡散層をゲート電極部の下方に形成するので、パンチスルーが抑制され、かつ動作速度の大きい半導体装置を提供することができる。
本発明に係る第2の半導体装置の製造方法は、シリコン基板の所定領域のみを開口し他の領域を覆うような絶縁膜を該シリコン基板上に形成する工程と、このシリコン基板の絶縁膜下から露出した領域に当該シリコン基板と同一導電型の不純物拡散層を形成する工程と、絶縁膜下から露出した領域であって不純物拡散層が形成されたシリコン基板を所定の厚さだけエッチングして溝部を形成する工程と、この溝部を埋め込むようにシリコン基板上にシリコン層を形成する工程と、このシリコン層上にゲート絶縁膜を形成する工程と、このゲート絶縁膜上にゲート電極部を形成する工程と、このゲート電極部下から露出したシリコン層及びシリコン基板にソース/ドレイン拡散層を形成する工程とを有し、不純物拡散層を形成する工程では、当該不純物拡散層の不純物濃度をソース/ドレイン拡散層下のシリコン基板よりも高濃度にすることを特徴とするものである。
【0016】
本発明に係る第2の半導体装置の製造方法によれば、上述の第1の半導体装置と同様の作用効果を得ることができる。さらに、開口部を有する絶縁膜によって、不純物拡散層と、ゲート電極部とを自己整合的に重ね合わせることができる。本発明に係る第3の半導体装置の製造方法は、上述した第2の半導体装置の製造方法において、ゲート絶縁膜を形成した後で、絶縁膜の開口部の側壁に絶縁性のサイドウォールを形成し、その後、当該サイドウォールを覆うようにゲート電極部を形成することを特徴とするものである。
【0017】
本発明に係る第3の半導体装置の製造方法によれば、このサイドウォールによって、ゲート絶縁膜とゲート電極部との接合領域は絶縁膜の開口部中心に向けて狭められる。従って、ゲート電極部と不純物拡散層との重ね合わせのマージンを増大させることができる。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法について説明する。
(1) 第1実施形態
図1は本発明の第1実施形態に係るn型MISトランジスタ100の構成例を示す断面図である。このMISトランジスタ100は、チャネル領域がエピタキシャルシリコン層で構成されるような、いわゆるチャネルエピ構造を有するものである。
【0019】
図1において、1はシリコン基板、3は素子分離層、5a及び5bはnS/D拡散層、7はノンドープシリコン層、9はp拡散層、11はゲート絶縁膜、13はメタルゲート電極、15はサイドウォールスペーサ、16a及び16bはNiシリサイド、17は層間絶縁膜、19a及び19bは配線層である。図1に示すシリコン基板1には、n型MISトランジスタ100の他にp型MISトランジスタ(図示せず)や、容量素子(図示せず)、抵抗素子(図示せず)等が一体に形成されており、これら複数のトランジスタや素子等によって、本発明の半導体装置が構成されている。
【0020】
図1において、シリコン基板1は、例えば少量のボロン(B)等のp型不純物を含むバルクのp型シリコンウエーハであり、その結晶構造は単結晶である。このp型のシリコン基板1のボロンの濃度は、例えば1E+15cm−3程度である。また、素子分離層3はシリコン基板1に埋め込まれたシリコン酸化膜である。この素子分離層3の厚みは、例えば10000Å程度である。
【0021】
さらに、nS/D拡散層5a及び5bは、この素子分離層3によって素子分離された領域(以下で、素子形成領域ともいう)のシリコン基板1に設けられた高濃度のn型不純物拡散層である。図1に示すように、このnS/D拡散層5a及び5bはLDD(lightly doped drain)構造を有しており、ホットエレクトロンの発生を抑制するようになっている。このnS/D拡散層5に含まれるn型不純物は、例えばリン(P)やヒ素(As)等である。
【0022】
このnS/D拡散層5a及び5bであって、MISトランジスタ100のチャネル領域に接合する低濃度領域(以下で、ext ensionという)の接合深さ(Xj)は、例えば200Å程度であり、その不純物濃度は5E+19cm−3程度である。
また、このnS/D拡散層5a及び5bであってextensionに接合する高濃度領域(以下で、deepソース・ドレインという)のXjは、例えば600Å程度であり、その不純物濃度は1E+20cm−3程度である。
【0023】
図1に示すノンドープシリコン層7は、例えばエピタキシャル成長によってシリコン基板1の表面に形成された単結晶のシリコン層である。このノンドープシリコン層7には、リンやヒ素、ボロン等の不純物がほとんど含まれていない。
このノンドープシリコン層7はMISトランジスタ100のチャネル領域であり、その厚さは、同じゲート長のMISトランジスタをFDSOI(Fully Depleted−Silicon On Insulator)に形成した場合に、十分S−factorが小さくなるSOI層(トップシリコン層)の厚さと同程度である。ここで、S−factorとは、MISトランジスタのドレイン電流を1桁変化させるのに必要なゲート電圧変化量のことである。例えば、MISトランジスタ100のゲート長が約0.1μmのとき、ノンドープシリコン層7の厚さは100〜200Å程度である。
【0024】
拡散層9は、このノンドープシリコン層7直下の領域のシリコン基板1に設けられた高濃度のp型不純物拡散層である。このp拡散層9は、Xjが例えば10000Å程度であり、不純物濃度が例えば1E+18cm−3程度である。このp拡散層9に含まれるp型不純物は、例えばボロンである。
図1に示すように、ゲート絶縁膜11は、このp拡散層9上方のノンドープシリコン層7上に設けられている。このゲート絶縁膜11は、例えばシリコン窒化膜であり、その膜厚は35Å程度である。さらに、メタルゲート電極13は、このゲート絶縁膜11上に設けられている。このメタルゲート電極13は、上述したMISトランジスタ90のメタルゲート電極95と同様にmid−gap材料で構成されている。例えば、このメタルゲート電極は、TaN/Ta/TaNの3層構造を有している。
【0025】
ところで、このMISトランジスタ100では、シリコン基板1の基板濃度と比べて比較的高濃度なp拡散層9がノンドープシリコン層7の直下に設けられている。従って、ソース・ドレイン間に電圧を印加した場合にドレインからの電気力線をp拡散層9で終端することができ、パンチスルーを防止することができる。
【0026】
また、nS/D拡散層5a及び5bのdeepソース・ドレインの直下は半導体基板(p−sub)1となっており、p拡散層9に比べて低濃度になっている。従って、従来型のMISトランジスタ90と比べて、deepソース・ドレインの下側に空乏層が伸びるので、nS/D拡散層5a及び5bの接合容量を低減することができる。これにより、トランジスタの動作速度を向上させることができる。
【0027】
なお、この第1実施形態では、n型のMISトランジスタ100の場合について説明したが、本発明の一導電型の電界効果トランジスタはn型に限られることはなく、p型のMISトランジスタでも良い。この場合には、図1において、シリコン基板1と各不純物拡散層の導電型を、n型からp型に、またはp型からn型にそれぞれ変える。これにより、ソース・ドレインの接合容量が小さく、かつ、パンチスルー等の短チャネル効果が抑制されたp型MISトランジスタを実現することができる。
【0028】
この第1実施形態では、p型のシリコン基板1とノンドープシリコン層7とが本発明の半導体基板に対応し、ノンドープシリコン層7が本発明のシリコン層(チャネル領域)に対応している。また、メタルゲート電極13が本発明のゲート電極部に対応し、nS/D拡散層5a及び5bが本発明のソース/ドレイン拡散層に対応している。さらに、p拡散層9が本発明の不純物拡散層に対応している。
【0029】
次に、上述したn型MISトランジスタ100の製造方法について、図2(A)〜図3(C)を参照しながら説明する。図2(A)に示すように、まず始めに、シリコン基板1を用意する。このシリコン基板1は、バルクのシリコンウエーハである。次に、素子形成領域以外のシリコン基板1の表面にトレンチ(溝部)を形成し、このトレンチにシリコン酸化膜を埋め込んで、素子分離層3を形成する。
【0030】
次に、図2(B)に示すように、MISトランジスタ100のチャネルとなる領域を開口するようなレジストパターン41をシリコン基板1上に形成する。このレジストパターン41の形成は、例えば、ステッパー(stepper)を用いたリソグラフィ技術によって行う。そして、このレジストパターン41をマスクにして、シリコン基板1にB、またはBF をイオン注入する。
【0031】
このイオン注入におけるB、またはBF のドーズ量と、注入エネルギー等の処理条件は、短チャンネル効果抑制と、ソース・ドレイン耐圧の観点から決定する。また、このイオン注入によって形成されるp拡散層9は、その寸法幅が細く、その寸法深さができるだけ深いことが望ましいが、イオン注入エネルギーを上げて深く形成しようとすると横にも広がるので、そのトレードオフで決定する。この例では、例えばドーズ量が1E+13cm−2、注入エネルギーが
50〜500KeV、打ち込み角度が0〜7゜である。
【0032】
次に、B、またはBF をイオン注入した後で、シリコン基板1をアッシング処理し、レジストパターン41を除去する。そして、このシリコン基板1を例えば850℃から950℃程度の高温でアニールして、p拡散層9を形成する。
次に、図2(C)に示すように、素子形成領域のシリコン基板1上にノンドープシリコン膜7´を10〜20nm程度の厚みに形成する。このノンドープシリコン膜7´は、例えば選択エピタキシャル成長によって行う。ここで、ノンドープシリコン膜7´の選択エピタキシャル成長は、例えば600℃程度の低温で行う。これは、p拡散層9からノンドープシリコン膜7´へのボロンの拡散を防ぐためである。また、このノンドープシリコン膜7´の形成以降のプロセスは全て、例えば550℃以下の低温で行う。これにより、ノンドープシリコン膜7´へのドーパントの拡散を防止する。
【0033】
次に、図3(A)に示すように、このノンドープシリコン膜7´上にシリコン窒化膜からなるゲート絶縁膜11を約35nm程度の厚みに形成する。このゲート絶縁膜11の形成は、例えばプラズマ窒化や、スパッタ等によって行う。このゲート絶縁膜11の成膜温度は、例えば室温〜400℃程度である。
ゲート絶縁膜11を形成した後、このゲート絶縁膜11上にmid−gap材料を成膜する。ここで使用するmid−gap材料は、例えばTaN/Ta/TaNからなる3層構造の膜である。また、このような3層構造の膜に限らず、TiNやTa、TaN等からなる一層構造の膜でもよい。この種のmid−gap材料は、例えばスパッタにより形成する。
【0034】
次に、リソグラフィ技術とドライエッチング技術を用いて、このmid−gap材料を電極形状にパターニングし、メタルゲート電極13を形成する。そして、このメタルゲート電極13をマスクにして、図3(B)に示すように、シリコン基板1にリン等のn型不純物をイオン注入する。
このイオン注入工程は、nS/D拡散層5のextensionを形成するための工程である。このイオン注入工程の処理条件は、例えばドーズ量が4E+14cm−2、注入エネルギーが5KeV、打ち込み角度は、7゜である。
【0035】
次に、このメタルゲート電極13を含むシリコン基板1上にシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜をCVDによって堆積する。ここでも、成膜温度は例えば400℃程度の低温とし、ノンドープシリコン層7へのドーパントの拡散が起こらないようにする。そして、この堆積したシリコン酸化膜をエッチバックして、図3(C)に示すように、メタルゲート電極13の側壁にサイドウォールスペーサ15を形成する。
【0036】
次に、このサイドウォールスペーサ15を形成したメタルゲート電極13をマスクにして、シリコン基板1にヒ素等のn型不純物をイオン注入する。このイオン注入工程は、nS/D拡散層5のdeepソース・ドレインを形成するための工程である。このイオン注入工程は、nS/D拡散層5のdeepソース・ドレインを形成するための工程である。このイオン注入工程の処理条件は、例えばドーズ量が2E+15cm−2、注入エネルギーが25KeV、打ち込み角度は、7゜である。
【0037】
次に、このシリコン基板1を500℃程度の低温でアニールして、LDD構造のnS/D拡散層5a及び5bを形成する。一般に、イオン注入後のアニールを500℃程度の低温で行った場合、半導体基板のドーパントと絡んだ点欠陥が残留し、ドーパント濃度が高くなるほどリーク電流が増大することが知られている。しかしながら、このMISトランジスタ100では、nS/D拡散層5a及び5bの下側が半導体基板1であり、従来型のMISトランジスタ90(図7参照)と比べて、ドーパント濃度が低い。従って、nS/D拡散層5でのリーク電流を低減することができる。
【0038】
次に、スパッタによって、このシリコン基板1上にNiを20nm程度成膜する。そして、300〜500℃程度で熱処理を行い、Niシリサイド16a及び16b(図1参照)をn+S/D拡散層5a及び5b上にそれぞれ形成する。続いて、塩酸過水溶液等で未反応Niを選択エッチング除去する。
次に、CVDによって、このシリコン基板1上に層間絶縁膜17(図1参照)を約8000Å程度堆積させる。そして、この層間絶縁膜17上をCMP等によって平坦化処理する。さらに、リソグラフィ技術とドライエッチング技術によって、この層間絶縁膜17にコンタクトホールを形成する。その後、このコンタクトホールを形成した層間絶縁膜17上に、スパッタ法等によってアルミ合金膜等の金属膜を堆積する。そして、リソグラフィ技術とドライエッチング技術によって、このアルミ合金膜をパターニングして、配線層19a及び19bを形成する。このようにして、図1に示したn型のMISトランジスタを完成させる。
【0039】
本発明によれば、SOI基板にMISトランジスタを形成する場合と違って、バルクのシリコン基板1にMISトランジスタを形成しているので、nS/D拡散層5a及び5bのextensionの厚さをエピタキシャルシリコン層7の厚さ以上にしても、低温固層エピタキシャル成長で再結晶化させることができる(SOI基板を用いる場合には、絶縁層に到達する深さまで不純物をイオン注入してしまうと固層エピタキシャル成長に必要な単結晶シード層がなくなってしまうので、再結晶化が困難である。)。
【0040】
従って、nS/D拡散層5a及び5bのextensionと、deepソース・ドレインをそれぞれ厚く形成することができ、ソース・ドレイン抵抗を減少させることができる。これにより、エレベートソース・ドレイン構造を採らなくても、シリサイドによる接合リークの問題を回避することができる。
また、上述したように、本発明によれば、従来方式のMISトランジスタ90と比べて、ノンドープシリコン層7の直下には、シリコン基板1の基板濃度と比べて比較的高濃度なp拡散層9が設けられているので、パンチスルーを防止することができる。さらに、nS/D拡散層5a及び5bの下側は比較的低濃度のため空乏層はシリコン基板1側に伸び、接合容量を低減することができる。
【0041】
このように、本発明によれば、ソース・ドレイン抵抗、接合リーク、接合容量が小さく、かつ、短チャネル効果が抑制されたメタルゲートバルクMISFETを実現することができる。
(2)第2実施形態
上述の第1実施形態では、リソグラフィ技術によってp拡散層9とメタルゲート電極13との位置合わせを行う場合について説明した。しかしながら、周知のようにリソグラフィの重ね合わせの精度には限界があり、MISトランジスタの微細化が進むにつれて、p拡散層9とメタルゲート電極13の重ね合わせのずれが問題となる可能性がある。
【0042】
図4(A)〜図6(C)は第2実施形態に係るMISトランジスタ100´の製造方法を示す工程図である。ここでは、上述したメタルゲート電極13をp拡散層9の上方に自己整合的に形成して、MISトランジスタ100´を形成する場合を想定する。従って、図4(A)〜図6(C)において、図1に示したMISトランジスタ100と同一の機能を有するものには同一の符号を付し、その詳細説明は省略する。
【0043】
図4(A)に示すように、まず始めに、ドーパント濃度の低いシリコン基板1を用意する。次に、このシリコン基板1に素子分離層3を形成し、さらにシリコン酸化膜(SiO)53とシリコン窒化膜(SiN)55を成膜する。シリコン酸化膜53は、熱酸化で10nm程度の厚さに形成する。また、シリコン窒化膜55は、CVDによって10nm程度の厚みに形成する。図4(A)において、SiN/SiOの2層構造にするのは、図5(B)でシリコン酸化膜からなるサイドウォールを形成する際に、シリコン窒化膜55上でエッチバックをストップさせるためである。このため、図4(A)では、シリコン窒化膜55の代わりにアモルファスシリコンを用いても良い。
【0044】
次に、図4(B)に示すように、リソグラフィによって、ノンドープシリコン層7を形成する領域のみを開口するようなレジストパターン57をシリコン窒化膜55上に形成する。そして、このレジストパターン57をマスクにして、SiN/SiOをドライエッチングし、シリコン基板1が露出するような開口部を形成する。
【0045】
さらに、このSiN/SiOの開口部から露出したシリコン基板1をドライエッチングして、深さ10nm程度の溝部59を形成する。図4(B)において、溝部59の寸法幅は、例えば0.1μm程度である。
次に、パンチスルーストッパのための濃度高めの領域、ここではp拡散層9を形成するために、レジストパターン57をマスクにしてボロン等の不純物をイオン注入する。このイオン注入工程では、シリコン基板1としてPDSOI(Partially Depleted−SOI)用のSOI層厚めのウエーハを用いた場合には、不純物イオンを絶縁層(BOX層)まで到達させる。また、このp拡散層9の濃度、即ち、このイオン注入工程のドーズ量と、注入エネルギー等は、第1実施形態と同様に、短チャンネル効果抑制と、ソース・ドレイン耐圧の観点から決定する。イオン注入後に、レジストパターン57をアッシングして除去する。そして、低温アニール、またはRTA(rapid thermal anneal)で、溝部59に注入したドーパントを活性化させて、図4(C)に示すように、p拡散層9を形成する。
【0046】
次に、図5(A)に示すように、このシリコン基板1に形成した溝部59 を埋め込むように、シリコン基板1の表面にノンドープシリコン膜7´を選択的にエピタキシャル成長させる。このノンドープシリコン膜7´の膜厚は、反転層以上の厚さがあれば良い。
次に、このシリコン基板1上にシリコン酸化膜を堆積しエッチバックして、SiN/SiOに設けられた開口部の側壁にサイドウォール61を形成する。このサイドウォール61によって、ゲート絶縁膜11とメタルゲート電極13との接合領域は、p拡散層9に対して狭められる。このサイドウォール61の横方向の寸法幅を大きくすることによって、ゲート絶縁膜11とメタルゲート電極との接合領域を、SiN/SiOに設けられた開口部の中心に向けて狭めることができ、メタルゲート電極とp拡散層9との重ね合わせのマージンを増大させることができる。
【0047】
そして、プラズマ窒化等により、低温でゲート絶縁膜11を形成する。ゲート絶縁膜11の形成後、TaN/Ta/TaNなどのmid−gap材料を成膜し、リソグラフィ技術とドライエッチング技術によってパターニングして、図5(C)に示すようにメタルゲート電極13を形成する。
このmid−gap材料のパターニング工程では、露光マスク(レチクル)として、SiN/SiOをドライエッチングする際に用いた露光マスク、即ち、図4(B)で示したレジストパターン57形成用の露光マスクをそのまま使用することができる。これにより、製造コストを抑制することができる。
【0048】
また、シリコン基板1上のSiN/SiOと、このSiN/SiOの開口部に設けられたサイドウォール61とによって、メタルゲート電極13とp拡散層9とが自己整合的に位置合わせされるので、リソグラフィ工程において多少合わせずれが発生した場合でも、メタルゲート電極13をp拡散層9の上方に再現性よく形成することができる。
【0049】
メタルゲート電極13を形成した後に、シリコン窒化膜55を除去する。このシリコン窒化膜55の除去は、例えば熱リン酸を用いて行う。続いて、シリコン酸化膜53とサイドウォール61を除去する。これらの除去は、例えばDHF(希フッ酸水溶液)を用いて行う。これにより、図6(A)に示すように、シリコン基板1や素子分離層3の表面が露出する。
【0050】
次に、図6(B)に示すように、このメタルゲート電極13をマスクにして、TILT(傾斜)をかけてシリコン基板1にリン等のn型不純物をイオン注入する。このイオン注入工程は、nS/D拡散層5のextensionを形成するための工程である。この工程では、パンチスルーストッパとして機能するp拡散層9をシリコン基板1に形成しているので、リン等のn型不純物を深く打ち込むことができる。これにより、p拡散層9がない場合と比べて、ソース・ドレイン抵抗を低減することができる。
【0051】
この後の工程は、第1実施形態と同様である。即ち、メタルゲート電極13を含むシリコン基板1上にシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜をCVDによって堆積する。そして、この堆積したシリコン酸化膜をエッチバックして、図6(C)に示すように、メタルゲート電極13の側壁にサイドウォールスペーサ15を形成する。
【0052】
さらに、このサイドウォールスペーサ15とメタルゲート電極13をマスクにして、シリコン基板1にヒ素等のn型不純物をイオン注入する。そして、このシリコン基板1を500℃程度の低温でアニールして、LDD構造のnS/D拡散層5a及び5bを形成する。この低温アニールによって、溝部に埋め込まれたノンドープシリコン膜7´の横方向の界面はnS/D拡散層5a及び5bに取り込まれる。従って、ノンドープシリコン膜7´の界面の結晶性が悪くても、接合リークの問題は起こらない。
【0053】
次に、Niシリサイド(図示せず)をn+S/D拡散層5a及び5b上に形成する。そして、CVDによって、このシリコン基板1上に層間絶縁膜(図示せず)を堆積させ、平坦化処理する。さらに、リソグラフィ技術とドライエッチング技術によって、この層間絶縁膜にコンタクトホールを形成する。その後、このコンタクトホールを形成した層間絶縁膜上にアルミ合金膜等を堆積しパターニングして、配線層(図示せず)を形成する。これにより、MISトランジスタ100´を完成させる。
【0054】
本発明の第2実施形態に係るMISトランジスタ100´の製造方法によれば、第1実施形態で説明したMISトランジスタ100及びその製造方法と同様の作用効果を得ることができる。また、このMISトランジスタ100´の製造方法によれば、シリコン酸化膜53と、シリコン窒化膜55と、サイドウォール61とを用いてメタルゲート電極13をp拡散層9の上方に自己整合的に形成しているので、メタルゲート電極13とp拡散層9との重ね合わせのマージンを増大させることができる。この第2実施形態では、シリコン酸化膜53とシリコン窒化膜55(SiN/SiO)が本発明の絶縁膜に対応し、サイドウォール61が本発明のサイドウォールに対応している。
【0055】
なお、上述の第1、第2実施形態では、MISトランジスタ100及び100´のゲート絶縁膜をシリコン窒化膜で構成する場合について説明したが、ゲート絶縁膜の構成材料はこれに限られることはない。例えば、ゲート絶縁膜はシリコン酸化膜でも良い。この場合には、ソース・ドレイン抵抗、接合容量、接合リークが小さく、かつ短チャンネル効果が抑制されたMOSトランジスタを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】MISトランジスタ100の構成例を示す断面図。
【図2】MISトランジスタ100の製造方法(その1)を示す工程図。
【図3】MISトランジスタ100の製造方法(その2)を示す工程図。
【図4】MISトランジスタ100´の製造方法(その1)を示す工程図。
【図5】MISトランジスタ100´の製造方法(その2)を示す工程図。
【図6】MISトランジスタ100´の製造方法(その3)を示す工程図。
【図7】従来例に係るMISトランジスタ90の構成例を示す断面図。
【符号の説明】
1 シリコン基板、3 素子分離層、5a、5b nS/D拡散層、7 ノンドープシリコン層、7´ ノンドープシリコン膜、9 p拡散層、11 ゲート絶縁膜、13 メタルゲート電極、15 サイドウォールスペーサ、16a、16b Niシリサイド、17 層間絶縁膜、19a、19b 配線層、41、57 レジストパターン、53 シリコン酸化膜、55 シリコン窒化膜、59 溝部、61 サイドウォール、100、100´ MISトランジスタ
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device and a method of manufacturing the same, and more particularly to a semiconductor device suitable for being applied to a MIS transistor having a so-called channel epi structure in which a channel region is formed of an epitaxial silicon layer and a method of manufacturing the same. is there.
[0002]
[Prior art]
In recent years, the gate length of the MIS transistor is approaching 0.1 μm, and the threshold voltage of the transistor tends to be further reduced. Along with this, MIS transistors having a so-called channel epi structure, in which a channel region of the transistor is formed of an epitaxial silicon layer, are becoming widespread.
[0003]
FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of an n-type MIS transistor 90 according to a conventional example. The MIS transistor 90 has a channel epi structure. In the figure, 91 is a silicon substrate (p-sub), 92 is an element isolation layer, 93 is 94+Source / drain diffusion layers (hereinafter, n+S / D diffusion layer), 95 is a metal gate electrode, 96 is a sidewall, 97 is a non-doped epitaxial silicon layer (hereinafter, referred to as a non-doped silicon layer), and 98 is a gate insulating film.
[0004]
As shown in FIG. 7, in the MIS transistor 90, n+Both the S / D diffusion layer 94 and the channel region 95 have a high concentration of p.+Since it is bonded to the well diffusion layer 93, n+S / D diffusion layer 94 and p+Between the well diffusion layer 93 and between the channel region 95 and p+The depletion layer between the well diffusion layers 93 is small, and short channel effects such as punch-through are suppressed.
[0005]
The metal gate electrode 95 shown in FIG. 7 is made of a mid-gap material. Here, the mid-gap material means that the work function of the material is n+Polysilicon work function and p+A metal that is in the middle of the work function of polysilicon. Examples of the mid-gap material include titanium nitride (TiN), tantalum (Ta), and tantalum nitride (TaN).
[0006]
In the manufacturing process of the MIS transistor 90, non-doped silicon is epitaxially grown at a low temperature on a relatively high-concentration silicon surface, and thereafter, a gate insulating film 98, a metal gate electrode 95, a sidewall 96, and n+An S / D diffusion layer 94 is formed. This low temperature process prevents diffusion of impurities (dopants) into the non-doped silicon layer 97.
[0007]
By forming the gate electrode portion of the CMIS including the n-type MIS transistor and the p-type MIS transistor with a mid-gap material and making the epitaxial layer 97 non-doped, the threshold voltage of the n-type MIS transistor and the p-type MIS transistor The absolute values of the threshold voltages can be made uniform, and the absolute values can be reduced.
[0008]
[Patent Document 1]
JP-A-9-45905
[Non-patent document 1]
M. Aoki et al, IEDM Tech. Dig. , P. 939-941, 1990.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, according to the n-type MIS transistor 90 according to the conventional example, in order to suppress a short channel effect such as punch-through, n+The semiconductor substrate 91 under the S / D diffusion layer 94 and the semiconductor substrate 91 under the non-doped silicon layer 97 have a high concentration of p.+The well diffusion layer 93 was provided.
[0010]
However, although this structure can suppress the short channel effect, n+S / D diffusion layer 94 and p+Since the depletion layer between the well diffusion layer 93 and the well becomes small, there is a problem that the junction capacitance (parasitic capacitance) is large. n+There is a correlation between the junction capacitance of the S / D diffusion layer 94 and the operation speed of the MIS transistor 90, and n+The operating speed of the MIS transistor 90 decreases as the junction capacitance of the S / D diffusion layer 94 increases.
[0011]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of improving an operation speed while suppressing punch-through and a method of manufacturing the same.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problem, a first semiconductor device according to the present invention includes a semiconductor substrate, a gate insulating film provided on the semiconductor substrate, and a gate electrode portion provided on the gate insulating film. A source / drain diffusion layer provided on the semiconductor substrate exposed from below the gate electrode portion, and an impurity diffusion layer provided on the semiconductor substrate below the channel region, wherein the impurity diffusion layer is provided below the source / drain diffusion layer. The semiconductor substrate is of the same conductivity type as the semiconductor substrate, and the impurity concentration of the impurity diffusion layer is higher than that of the semiconductor substrate below the source / drain diffusion layers.
[0013]
According to a second semiconductor device of the present invention, in the first semiconductor device described above, the semiconductor substrate includes a silicon substrate and a silicon layer provided on the silicon substrate, and impurity diffusion is performed on a predetermined region of the silicon substrate. A silicon layer on the impurity diffusion layer becomes a channel region.
According to the first and second semiconductor devices according to the present invention, lines of electric force from the drain generated when a voltage is applied between the source and the drain can be terminated at the impurity diffusion layer below the channel region. , Punch-through can be prevented. Further, as compared with the conventional semiconductor device, the depletion layer between the source / drain diffusion layer and the semiconductor substrate (silicon substrate) can be extended toward the substrate, so that the junction capacitance of the source / drain diffusion layer can be reduced. it can. Therefore, the operation speed of the semiconductor device can be improved while suppressing punch-through.
[0014]
A first method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming an impurity diffusion layer of the same conductivity type as a silicon substrate in a predetermined region of a silicon substrate, and a step of forming silicon on the silicon substrate on which the impurity diffusion layer is formed. A step of forming a layer, a step of forming a gate insulating film on the silicon layer, a step of forming a gate electrode portion on the gate insulating film above the impurity diffusion layer, and a step of forming a silicon layer exposed from under the gate electrode portion; Forming a source / drain diffusion layer in the silicon substrate, wherein in the step of forming the impurity diffusion layer, the impurity concentration of the impurity diffusion layer is higher than that of the silicon substrate below the source / drain diffusion layer. It is characterized by the following.
[0015]
According to the first method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the impurity diffusion layer having the same conductivity type as the silicon substrate and having a higher impurity concentration than the silicon substrate below the source / drain diffusion layers is formed below the gate electrode portion. Therefore, a semiconductor device in which punch-through is suppressed and operation speed is high can be provided.
A second method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming an insulating film on the silicon substrate so as to open only a predetermined region of the silicon substrate and cover the other region; Forming an impurity diffusion layer of the same conductivity type as that of the silicon substrate in a region exposed from the substrate, and etching the silicon substrate having an impurity diffusion layer formed in a region exposed from under the insulating film by a predetermined thickness. Forming a groove, forming a silicon layer on a silicon substrate so as to fill the groove, forming a gate insulating film on the silicon layer, and forming a gate electrode on the gate insulating film And forming a source / drain diffusion layer on the silicon layer and the silicon substrate exposed from under the gate electrode portion. In the step of forming the impurity diffusion layer, It is characterized in that a higher concentration than the silicon substrate under the impurity concentration source / drain diffusion layer of the impurity diffusion layer.
[0016]
According to the second method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the same operation and effect as those of the first semiconductor device described above can be obtained. Further, the impurity diffusion layer and the gate electrode portion can be overlapped with each other in a self-aligned manner by the insulating film having the opening. A third method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is the method for manufacturing a semiconductor device according to the above-described second semiconductor device, further comprising: forming an insulating sidewall on a side wall of an opening of the insulating film after forming the gate insulating film. Thereafter, a gate electrode portion is formed so as to cover the sidewall.
[0017]
According to the third method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the junction region between the gate insulating film and the gate electrode portion is narrowed toward the center of the opening of the insulating film by the sidewall. Therefore, it is possible to increase a margin for overlapping the gate electrode portion and the impurity diffusion layer.
[0018]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a semiconductor device and a method for manufacturing the same according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
(1) First embodiment
FIG. 1 is a sectional view showing a configuration example of an n-type MIS transistor 100 according to the first embodiment of the present invention. The MIS transistor 100 has a so-called channel epi structure in which the channel region is formed of an epitaxial silicon layer.
[0019]
In FIG. 1, 1 is a silicon substrate, 3 is an element isolation layer, 5a and 5b are n+S / D diffusion layer, 7 is non-doped silicon layer, 9 is p+A diffusion layer, 11 is a gate insulating film, 13 is a metal gate electrode, 15 is a sidewall spacer, 16a and 16b are Ni silicide, 17 is an interlayer insulating film, and 19a and 19b are wiring layers. On the silicon substrate 1 shown in FIG. 1, in addition to the n-type MIS transistor 100, a p-type MIS transistor (not shown), a capacitance element (not shown), a resistance element (not shown) and the like are integrally formed. The semiconductor device of the present invention is constituted by the plurality of transistors and elements.
[0020]
In FIG. 1, a silicon substrate 1 is a bulk p-type silicon wafer containing a small amount of a p-type impurity such as boron (B), and has a single crystal structure. The boron concentration of this p-type silicon substrate 1 is, for example, 1E + 15 cm.-3It is about. The element isolation layer 3 is a silicon oxide film embedded in the silicon substrate 1. The thickness of the element isolation layer 3 is, for example, about 10,000 °.
[0021]
Further, n+The S / D diffusion layers 5a and 5b are high-concentration n-type impurity diffusion layers provided on the silicon substrate 1 in a region (hereinafter, also referred to as an element formation region) separated by the element separation layer 3. As shown in FIG.+The S / D diffusion layers 5a and 5b have a lightly doped drain (LDD) structure, and suppress generation of hot electrons. This n+The n-type impurity contained in the S / D diffusion layer 5 is, for example, phosphorus (P), arsenic (As), or the like.
[0022]
This n+In the S / D diffusion layers 5a and 5b, the junction depth (Xj) of the low-concentration region (hereinafter referred to as "extension") which is connected to the channel region of the MIS transistor 100 is, for example, about 200 [deg.] Is 5E + 19cm-3It is about.
Also, this n+Xj of the high-concentration regions (hereinafter referred to as deep source / drain) which are the S / D diffusion layers 5a and 5b and are joined to the extension is, for example, about 600 °, and the impurity concentration thereof is 1E + 20 cm.-3It is about.
[0023]
The non-doped silicon layer 7 shown in FIG. 1 is a single-crystal silicon layer formed on the surface of the silicon substrate 1 by, for example, epitaxial growth. This non-doped silicon layer 7 hardly contains impurities such as phosphorus, arsenic, and boron.
The non-doped silicon layer 7 is a channel region of the MIS transistor 100, and has a thickness such that when a MIS transistor having the same gate length is formed in FDSOI (Fully Depleted-Silicon On Insulator), the SOI becomes sufficiently small. About the same as the thickness of the layer (top silicon layer). Here, the S-factor is a gate voltage change amount required to change the drain current of the MIS transistor by one digit. For example, when the gate length of the MIS transistor 100 is about 0.1 μm, the thickness of the non-doped silicon layer 7 is about 100 to 200 °.
[0024]
p+The diffusion layer 9 is a high-concentration p-type impurity diffusion layer provided on the silicon substrate 1 in a region immediately below the non-doped silicon layer 7. This p+The diffusion layer 9 has Xj of, for example, about 10000 ° and an impurity concentration of, for example, 1E + 18 cm.-3It is about. This p+The p-type impurity contained in the diffusion layer 9 is, for example, boron.
As shown in FIG. 1, the gate insulating film 11+It is provided on the non-doped silicon layer 7 above the diffusion layer 9. The gate insulating film 11 is, for example, a silicon nitride film and has a thickness of about 35 °. Further, the metal gate electrode 13 is provided on the gate insulating film 11. The metal gate electrode 13 is made of a mid-gap material, like the metal gate electrode 95 of the MIS transistor 90 described above. For example, this metal gate electrode has a three-layer structure of TaN / Ta / TaN.
[0025]
By the way, in the MIS transistor 100, the p concentration which is relatively higher than the substrate concentration of the silicon substrate 1 is+A diffusion layer 9 is provided immediately below the non-doped silicon layer 7. Therefore, when a voltage is applied between the source and the drain, the line of electric force from the drain is p+The termination can be made at the diffusion layer 9 and punch-through can be prevented.
[0026]
Also, n+The semiconductor substrate (p-sub) 1 is located immediately below the deep source / drain of the S / D diffusion layers 5a and 5b.+The concentration is lower than that of the diffusion layer 9. Therefore, as compared with the conventional MIS transistor 90, the depletion layer extends below the deep source / drain, so that n+The junction capacitance of S / D diffusion layers 5a and 5b can be reduced. Thus, the operation speed of the transistor can be improved.
[0027]
In the first embodiment, the case of the n-type MIS transistor 100 has been described. However, the field effect transistor of one conductivity type of the present invention is not limited to the n-type, but may be a p-type MIS transistor. In this case, in FIG. 1, the conductivity type of the silicon substrate 1 and each impurity diffusion layer is changed from n-type to p-type or from p-type to n-type. Thus, a p-type MIS transistor having a small source-drain junction capacitance and a suppressed short-channel effect such as punch-through can be realized.
[0028]
In the first embodiment, the p-type silicon substrate 1 and the non-doped silicon layer 7 correspond to the semiconductor substrate of the present invention, and the non-doped silicon layer 7 corresponds to the silicon layer (channel region) of the present invention. Further, the metal gate electrode 13 corresponds to the gate electrode portion of the present invention, and n+The S / D diffusion layers 5a and 5b correspond to the source / drain diffusion layers of the present invention. Furthermore, p+The diffusion layer 9 corresponds to the impurity diffusion layer of the present invention.
[0029]
Next, a method for manufacturing the above-described n-type MIS transistor 100 will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 2A, first, a silicon substrate 1 is prepared. This silicon substrate 1 is a bulk silicon wafer. Next, a trench (groove) is formed on the surface of the silicon substrate 1 other than the element formation region, and a silicon oxide film is buried in the trench to form an element isolation layer 3.
[0030]
Next, as shown in FIG. 2B, a resist pattern 41 is formed on the silicon substrate 1 so as to open a region serving as a channel of the MIS transistor 100. The formation of the resist pattern 41 is performed by, for example, a lithography technique using a stepper. Then, using this resist pattern 41 as a mask, B+Or BF2 +Is ion-implanted.
[0031]
B in this ion implantation+Or BF2 +And the processing conditions such as implantation energy are determined from the viewpoints of suppression of the short-channel effect and source / drain breakdown voltage. Also, the p formed by this ion implantation+It is desirable that the diffusion layer 9 has a small dimension width and the dimension depth is as deep as possible. However, if the ion implantation energy is increased to form the diffusion layer 9 deeper, the diffusion layer 9 spreads laterally. In this example, for example, the dose amount is 1E + 13 cm.-2, The injection energy is
50 to 500 KeV, and the driving angle is 0 to 7 °.
[0032]
Next, B+Or BF2 +After the ion implantation, the silicon substrate 1 is ashed to remove the resist pattern 41. Then, the silicon substrate 1 is annealed at a high temperature of, for example, about 850 ° C. to 950 ° C.+The diffusion layer 9 is formed.
Next, as shown in FIG. 2C, a non-doped silicon film 7 'is formed to a thickness of about 10 to 20 nm on the silicon substrate 1 in the element formation region. This non-doped silicon film 7 'is formed by, for example, selective epitaxial growth. Here, the selective epitaxial growth of the non-doped silicon film 7 ′ is performed at a low temperature of, for example, about 600 ° C. This is+This is for preventing the diffusion of boron from the diffusion layer 9 to the non-doped silicon film 7 '. In addition, all processes after the formation of the non-doped silicon film 7 'are performed at a low temperature of, for example, 550.degree. This prevents the diffusion of the dopant into the non-doped silicon film 7 '.
[0033]
Next, as shown in FIG. 3A, a gate insulating film 11 made of a silicon nitride film is formed on the non-doped silicon film 7 'to a thickness of about 35 nm. The gate insulating film 11 is formed by, for example, plasma nitridation or sputtering. The film forming temperature of the gate insulating film 11 is, for example, about room temperature to about 400 ° C.
After the gate insulating film 11 is formed, a mid-gap material is formed on the gate insulating film 11. The mid-gap material used here is a film having a three-layer structure of, for example, TaN / Ta / TaN. The film is not limited to such a three-layer film, but may be a single-layer film made of TiN, Ta, TaN, or the like. This kind of mid-gap material is formed, for example, by sputtering.
[0034]
Next, using a lithography technique and a dry etching technique, the mid-gap material is patterned into an electrode shape to form a metal gate electrode 13. Then, using the metal gate electrode 13 as a mask, an n-type impurity such as phosphorus is ion-implanted into the silicon substrate 1 as shown in FIG.
This ion implantation step includes n+This is a step for forming an extension of the S / D diffusion layer 5. The processing conditions for this ion implantation step are, for example, a dose amount of 4E + 14 cm.-2The implantation energy is 5 KeV and the implantation angle is 7 °.
[0035]
Next, a silicon oxide film or a silicon nitride film is deposited on the silicon substrate 1 including the metal gate electrode 13 by CVD. Also here, the film formation temperature is set to a low temperature of, for example, about 400 ° C. so that diffusion of the dopant into the non-doped silicon layer 7 does not occur. Then, the deposited silicon oxide film is etched back to form a sidewall spacer 15 on the side wall of the metal gate electrode 13 as shown in FIG.
[0036]
Next, an n-type impurity such as arsenic is ion-implanted into the silicon substrate 1 using the metal gate electrode 13 on which the sidewall spacers 15 are formed as a mask. This ion implantation step includes n+This is a step for forming a deep source / drain of the S / D diffusion layer 5. This ion implantation step includes n+This is a step for forming a deep source / drain of the S / D diffusion layer 5. The processing conditions of this ion implantation step are, for example, a dose amount is 2E + 15 cm.-2The implantation energy is 25 KeV and the implantation angle is 7 °.
[0037]
Next, the silicon substrate 1 is annealed at a low temperature of about 500 ° C.+The S / D diffusion layers 5a and 5b are formed. Generally, when annealing after ion implantation is performed at a low temperature of about 500 ° C., it is known that a point defect entangled with a dopant of a semiconductor substrate remains, and a higher dopant concentration increases a leak current. However, in the MIS transistor 100, n+The semiconductor substrate 1 is below the S / D diffusion layers 5a and 5b, and has a lower dopant concentration than the conventional MIS transistor 90 (see FIG. 7). Therefore, n+The leak current in the S / D diffusion layer 5 can be reduced.
[0038]
Next, about 20 nm of Ni is formed on the silicon substrate 1 by sputtering. Then, heat treatment is performed at about 300 to 500 ° C. to form Ni silicides 16a and 16b (see FIG. 1) on the n + S / D diffusion layers 5a and 5b, respectively. Subsequently, unreacted Ni is selectively removed by etching with an aqueous solution of hydrochloric acid.
Next, an interlayer insulating film 17 (see FIG. 1) is deposited on the silicon substrate 1 by CVD at about 8000 °. Then, the interlayer insulating film 17 is planarized by CMP or the like. Further, a contact hole is formed in the interlayer insulating film 17 by a lithography technique and a dry etching technique. Thereafter, a metal film such as an aluminum alloy film is deposited on the interlayer insulating film 17 in which the contact hole is formed by a sputtering method or the like. Then, the aluminum alloy film is patterned by lithography and dry etching to form wiring layers 19a and 19b. Thus, the n-type MIS transistor shown in FIG. 1 is completed.
[0039]
According to the present invention, since the MIS transistor is formed on the bulk silicon substrate 1 unlike the case where the MIS transistor is formed on the SOI substrate, n+Even when the extension thickness of the S / D diffusion layers 5a and 5b is equal to or larger than the thickness of the epitaxial silicon layer 7, the S / D diffusion layers 5a and 5b can be recrystallized by low-temperature solid-layer epitaxial growth. If the impurity is ion-implanted to the depth to reach the depth, the single crystal seed layer necessary for solid-layer epitaxial growth is lost, so that recrystallization is difficult.)
[0040]
Therefore, n+The extension of the S / D diffusion layers 5a and 5b and the deep source / drain can be formed thicker, and the source / drain resistance can be reduced. Thus, the problem of junction leakage due to silicide can be avoided without employing an elevated source / drain structure.
Further, as described above, according to the present invention, the p-type impurity having a relatively higher concentration than that of the silicon substrate 1 is provided immediately below the non-doped silicon layer 7 as compared with the MIS transistor 90 of the conventional method.+Since the diffusion layer 9 is provided, punch-through can be prevented. Further, n+Since the lower side of the S / D diffusion layers 5a and 5b has a relatively low concentration, the depletion layer extends toward the silicon substrate 1, and the junction capacitance can be reduced.
[0041]
As described above, according to the present invention, it is possible to realize a metal gate bulk MISFET in which the source / drain resistance, the junction leak, and the junction capacitance are small and the short channel effect is suppressed.
(2) Second embodiment
In the first embodiment described above, p+The case where the alignment between the diffusion layer 9 and the metal gate electrode 13 is performed has been described. However, as is well known, there is a limit in the accuracy of lithography overlay, and as MIS transistors become finer, p+There is a possibility that the misalignment of the overlap between the diffusion layer 9 and the metal gate electrode 13 may cause a problem.
[0042]
4A to 6C are process diagrams showing a method for manufacturing the MIS transistor 100 'according to the second embodiment. Here, the above-described metal gate electrode 13 is+It is assumed that the MIS transistor 100 'is formed above the diffusion layer 9 in a self-aligned manner. Therefore, in FIGS. 4A to 6C, those having the same functions as those of the MIS transistor 100 shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
[0043]
As shown in FIG. 4A, first, a silicon substrate 1 having a low dopant concentration is prepared. Next, an element isolation layer 3 is formed on the silicon substrate 1, and a silicon oxide film (SiO2) 53 and a silicon nitride film (SiN) 55 are formed. The silicon oxide film 53 is formed to a thickness of about 10 nm by thermal oxidation. The silicon nitride film 55 is formed to a thickness of about 10 nm by CVD. In FIG. 4A, SiN / SiO2The two-layer structure is used to stop the etch-back on the silicon nitride film 55 when forming the sidewall made of the silicon oxide film in FIG. 5B. Therefore, in FIG. 4A, amorphous silicon may be used instead of the silicon nitride film 55.
[0044]
Next, as shown in FIG. 4B, a resist pattern 57 is formed on the silicon nitride film 55 by lithography so as to open only the region where the non-doped silicon layer 7 is to be formed. Then, using this resist pattern 57 as a mask, SiN / SiO2Is dry-etched to form an opening through which the silicon substrate 1 is exposed.
[0045]
Further, the SiN / SiO2The silicon substrate 1 exposed from the opening is dry-etched to form a groove 59 having a depth of about 10 nm. In FIG. 4B, the dimensional width of the groove 59 is, for example, about 0.1 μm.
Next, a region of higher density for the punch-through stopper, here p+In order to form the diffusion layer 9, an impurity such as boron is ion-implanted using the resist pattern 57 as a mask. In this ion implantation step, when a SOI layer thick wafer for PDSOI (Partially Depleted-SOI) is used as the silicon substrate 1, the impurity ions reach the insulating layer (BOX layer). Also, this p+As in the first embodiment, the concentration of the diffusion layer 9, that is, the dose in this ion implantation step, the implantation energy, and the like are determined from the viewpoints of the short channel effect suppression and the source / drain breakdown voltage. After the ion implantation, the resist pattern 57 is removed by ashing. Then, the dopant implanted into the trench 59 is activated by low-temperature annealing or RTA (rapid thermal anneal), and as shown in FIG.+The diffusion layer 9 is formed.
[0046]
Next, as shown in FIG. 5A, a non-doped silicon film 7 'is selectively epitaxially grown on the surface of the silicon substrate 1 so as to fill the groove 59 formed in the silicon substrate 1. The thickness of the non-doped silicon film 7 'may be any thickness as long as it is equal to or larger than the inversion layer.
Next, a silicon oxide film is deposited on the silicon substrate 1 and etched back to form a SiN / SiO 2 film.2A sidewall 61 is formed on the side wall of the opening provided in the substrate. Due to the sidewall 61, the junction region between the gate insulating film 11 and the metal gate electrode 13 is p+It is narrowed with respect to the diffusion layer 9. By increasing the lateral dimension width of the side wall 61, the junction region between the gate insulating film 11 and the metal gate electrode can be changed to SiN / SiO.2Can be narrowed toward the center of the opening provided in the metal gate electrode and p.+It is possible to increase a margin for superimposition with the diffusion layer 9.
[0047]
Then, the gate insulating film 11 is formed at a low temperature by plasma nitridation or the like. After the gate insulating film 11 is formed, a mid-gap material such as TaN / Ta / TaN is formed and patterned by lithography and dry etching to form a metal gate electrode 13 as shown in FIG. I do.
In the step of patterning the mid-gap material, SiN / SiO 2 is used as an exposure mask (reticle).2The exposure mask used when dry-etching, ie, the exposure mask for forming the resist pattern 57 shown in FIG. 4B can be used as it is. As a result, manufacturing costs can be reduced.
[0048]
Also, SiN / SiO on the silicon substrate 12And this SiN / SiO2Of the metal gate electrode 13 and p+Since the alignment with the diffusion layer 9 is performed in a self-aligned manner, the metal gate electrode 13 remains at p+It can be formed with high reproducibility above the diffusion layer 9.
[0049]
After forming the metal gate electrode 13, the silicon nitride film 55 is removed. The removal of the silicon nitride film 55 is performed using, for example, hot phosphoric acid. Subsequently, the silicon oxide film 53 and the side wall 61 are removed. These removals are performed using, for example, DHF (dilute hydrofluoric acid aqueous solution). This exposes the surfaces of the silicon substrate 1 and the element isolation layer 3 as shown in FIG.
[0050]
Next, as shown in FIG. 6B, using the metal gate electrode 13 as a mask, an n-type impurity such as phosphorus is ion-implanted into the silicon substrate 1 by TILT (tilt). This ion implantation step includes n+This is a step for forming an extension of the S / D diffusion layer 5. In this step, p serving as a punch-through stopper+Since the diffusion layer 9 is formed in the silicon substrate 1, n-type impurities such as phosphorus can be implanted deeply. This gives p+The source / drain resistance can be reduced as compared with the case where the diffusion layer 9 is not provided.
[0051]
Subsequent steps are the same as in the first embodiment. That is, a silicon oxide film or a silicon nitride film is deposited on the silicon substrate 1 including the metal gate electrode 13 by CVD. Then, the deposited silicon oxide film is etched back to form a sidewall spacer 15 on the side wall of the metal gate electrode 13 as shown in FIG.
[0052]
Further, an n-type impurity such as arsenic is ion-implanted into the silicon substrate 1 using the sidewall spacer 15 and the metal gate electrode 13 as a mask. Then, the silicon substrate 1 is annealed at a low temperature of about 500 ° C.+The S / D diffusion layers 5a and 5b are formed. By this low-temperature annealing, the lateral interface of the non-doped silicon film 7 'embedded in the trench becomes n+It is taken into the S / D diffusion layers 5a and 5b. Therefore, even if the crystallinity at the interface of the non-doped silicon film 7 'is poor, the problem of junction leakage does not occur.
[0053]
Next, Ni silicide (not shown) is formed on n + S / D diffusion layers 5a and 5b. Then, an interlayer insulating film (not shown) is deposited on the silicon substrate 1 by CVD, and a flattening process is performed. Further, a contact hole is formed in the interlayer insulating film by a lithography technique and a dry etching technique. Thereafter, an aluminum alloy film or the like is deposited and patterned on the interlayer insulating film in which the contact hole has been formed to form a wiring layer (not shown). Thus, the MIS transistor 100 'is completed.
[0054]
According to the method for manufacturing the MIS transistor 100 ′ according to the second embodiment of the present invention, the same operation and effect as those of the MIS transistor 100 and the method for manufacturing the MIS transistor described in the first embodiment can be obtained. Further, according to the method of manufacturing MIS transistor 100 ′, metal gate electrode 13 is formed using silicon oxide film 53, silicon nitride film 55, and sidewall 61.+Since it is formed in a self-aligned manner above the diffusion layer 9, the metal gate electrode 13 and p+It is possible to increase a margin for superimposition with the diffusion layer 9. In the second embodiment, the silicon oxide film 53 and the silicon nitride film 55 (SiN / SiO2) Corresponds to the insulating film of the present invention, and the sidewall 61 corresponds to the sidewall of the present invention.
[0055]
In the first and second embodiments described above, the case where the gate insulating films of the MIS transistors 100 and 100 ′ are formed of a silicon nitride film is described, but the constituent material of the gate insulating film is not limited to this. . For example, the gate insulating film may be a silicon oxide film. In this case, it is possible to provide a MOS transistor in which the source / drain resistance, the junction capacitance and the junction leak are small and the short channel effect is suppressed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of a MIS transistor 100.
FIG. 2 is a process chart showing a method (part 1) of manufacturing the MIS transistor 100.
FIG. 3 is a process chart showing a method (part 2) of manufacturing MIS transistor 100.
FIG. 4 is a process chart showing a method (part 1) of manufacturing the MIS transistor 100 ′.
FIG. 5 is a process chart showing a method (part 2) of manufacturing MIS transistor 100 ′.
FIG. 6 is a process chart showing a method (part 3) of manufacturing MIS transistor 100 ′.
FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of a MIS transistor 90 according to a conventional example.
[Explanation of symbols]
1 silicon substrate, 3 element isolation layers, 5a, 5bn+S / D diffusion layer, 7 non-doped silicon layer, 7 'non-doped silicon film, 9 p+Diffusion layer, 11 gate insulating film, 13 metal gate electrode, 15 sidewall spacer, 16a, 16b Ni silicide, 17 interlayer insulating film, 19a, 19b wiring layer, 41, 57 resist pattern, 53 silicon oxide film, 55 silicon nitride film , 59 groove, 61 sidewall, 100, 100 'MIS transistor

Claims (5)

半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極部と、
前記ゲート電極部下から露出した半導体基板に設けられたソース/ドレイン拡散層と、
チャネル領域下の半導体基板に設けられた不純物拡散層とを備え、
前記不純物拡散層は前記ソース/ドレイン拡散層下の半導体基板と同一導電型であり、かつ、当該不純物拡散層の不純物濃度は該ソース/ドレイン拡散層下の半導体基板よりも高濃度であることを特徴とする半導体装置。
A semiconductor substrate;
A gate insulating film provided on the semiconductor substrate,
A gate electrode portion provided on the gate insulating film;
Source / drain diffusion layers provided on the semiconductor substrate exposed from under the gate electrode portion;
An impurity diffusion layer provided on the semiconductor substrate below the channel region,
The impurity diffusion layer is of the same conductivity type as the semiconductor substrate under the source / drain diffusion layer, and the impurity concentration of the impurity diffusion layer is higher than that of the semiconductor substrate under the source / drain diffusion layer. Characteristic semiconductor device.
前記半導体基板はシリコン基板と、当該シリコン基板上に設けられたシリコン層とからなり、
前記シリコン基板の所定領域に前記不純物拡散層が設けられ、該不純物拡散層上のシリコン層が前記チャネル領域となることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
The semiconductor substrate includes a silicon substrate and a silicon layer provided on the silicon substrate,
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the impurity diffusion layer is provided in a predetermined region of the silicon substrate, and a silicon layer on the impurity diffusion layer serves as the channel region.
シリコン基板の所定領域に当該シリコン基板と同一導電型の不純物拡散層を形成する工程と、
前記不純物拡散層が形成されたシリコン基板上にシリコン層を形成する工程と、
前記シリコン層上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記不純物拡散層上方のゲート絶縁膜上にゲート電極部を形成する工程と、
前記ゲート電極部下から露出したシリコン層及びシリコン基板にソース/ドレイン拡散層を形成する工程とを有し、
前記不純物拡散層を形成する工程では、
当該不純物拡散層の不純物濃度を前記ソース/ドレイン拡散層下のシリコン基板よりも高濃度にすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming an impurity diffusion layer of the same conductivity type as the silicon substrate in a predetermined region of the silicon substrate;
Forming a silicon layer on the silicon substrate on which the impurity diffusion layer is formed,
Forming a gate insulating film on the silicon layer;
Forming a gate electrode portion on a gate insulating film above the impurity diffusion layer;
Forming a source / drain diffusion layer on the silicon layer and the silicon substrate exposed from under the gate electrode portion,
In the step of forming the impurity diffusion layer,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the impurity concentration of the impurity diffusion layer is higher than that of a silicon substrate below the source / drain diffusion layers.
シリコン基板の所定領域のみを開口し他の領域を覆うような絶縁膜を該シリコン基板上に形成する工程と、
前記シリコン基板の絶縁膜下から露出した領域に当該シリコン基板と同一導電型の不純物拡散層を形成する工程と、
前記絶縁膜下から露出した領域であって前記不純物拡散層が形成されたシリコン基板を所定の厚さだけエッチングして溝部を形成する工程と、
前記溝部を埋め込むようにシリコン基板上にシリコン層を形成する工程と、
前記シリコン層上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜上にゲート電極部を形成する工程と、
前記ゲート電極部下から露出したシリコン層及びシリコン基板にソース/ドレイン拡散層を形成する工程とを有し、
前記不純物拡散層を形成する工程では、
当該不純物拡散層の不純物濃度を前記ソース/ドレイン拡散層下のシリコン基板よりも高濃度にすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming an insulating film on the silicon substrate so as to open only a predetermined region of the silicon substrate and cover other regions;
Forming an impurity diffusion layer of the same conductivity type as the silicon substrate in a region exposed from under the insulating film of the silicon substrate;
Forming a groove by etching a silicon substrate in a region exposed from under the insulating film and having the impurity diffusion layer formed thereon by a predetermined thickness;
Forming a silicon layer on the silicon substrate so as to fill the groove,
Forming a gate insulating film on the silicon layer;
Forming a gate electrode portion on the gate insulating film;
Forming a source / drain diffusion layer on the silicon layer and the silicon substrate exposed from under the gate electrode portion,
In the step of forming the impurity diffusion layer,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the impurity concentration of the impurity diffusion layer is higher than that of a silicon substrate below the source / drain diffusion layers.
前記ゲート絶縁膜を形成した後で、前記絶縁膜の開口部の側壁に絶縁性のサイドウォールを形成し、その後、当該サイドウォールを覆うように前記ゲート電極部を形成することを特徴とする請求項4に記載の半導体装置の製造方法。After the gate insulating film is formed, an insulating sidewall is formed on a side wall of the opening of the insulating film, and thereafter, the gate electrode portion is formed so as to cover the sidewall. Item 5. The method for manufacturing a semiconductor device according to Item 4.
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CN103208512A (en) * 2012-01-17 2013-07-17 上海华虹Nec电子有限公司 N-channel metal oxide semiconductor (NMOS) switching element of low source drain junction capacitor and manufacturing method thereof

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